КЭД – странная теория света и вещества - Ричард Фейнман (2017)

Во-первых, я должен сразу же сказать, что вся остальная физика проверена далеко не так хорошо, как электродинамика. Часть из того, о чем я собираюсь рассказать, – хорошие догадки, часть – не до конца разработанные теории, часть – чистая спекуляция. Так что эта лекция будет выглядеть довольно путано по сравнению с предыдущими. Тем не менее оказывается, что структура КЭД служит отличной основой для описания других явлений в остальной физике.

Я начну с рассказа о протонах и нейтронах, из которых состоят атомные ядра. После открытия протонов и нейтронов считалось, что они простые частицы (простые в том смысле, что их амплитуда попадания из одной точки в другую описывается формулой Е(А – В) с другим значением п). Но очень скоро стало ясно, что это отнюдь не так. Например, магнитный момент протона, если его рассчитывать так же, как магнитный момент электрона, был бы близок к 1. Но на самом деле экспериментально получается нечто нелепое – 2,79! Поэтому быстро осознали, что внутри протона происходит что-то, не объясняемое уравнениями квантовой электродинамики. Нейтрон, если он действительно нейтрален, не должен бы вообще взаимодействовать с магнитным полем. Но у него оказался магнитный момент – примерно 1,93! Так что уже давно было известно, что и в нейтроне происходит нечто сомнительное.

Существовала и еще одна проблема: что связывает протоны и нейтроны внутри ядра? Сразу стало ясно, что это не может быть обмен фотонами, так как силы, стягивающие ядро, слишком велики. (Энергия, необходимая для разрушения ядра, во столько же раз превосходит необходимую для выбивания электрона из атома, во сколько атомная бомба разрушительнее динамита: при взрыве динамита перераспределяются электроны, тогда как при взрыве атомной бомбы перераспределяются протоны и нейтроны.)

Для того чтобы узнать, какая сила удерживает ядро, было поставлено много экспериментов, в которых протоны со все более возрастающими энергиями сталкивались с ядрами. Ожидалось, что вылетать будут только протоны и нейтроны. Но когда энергии стали достаточно большими, начали вылетать новые частицы. Сначала появились пионы, потом лямбда, сигма, ро-частицы, и не хватило алфавита. Тогда появились частицы с числами (их массами): например, сигма-1190 и сигма-1386. Скоро стало ясно, что число частиц в мире не ограничено и зависит от энергии, потраченной на разрушение ядра. В настоящее время открыто более четырехсот таких частиц. Мы не можем смириться с тем, что существуют четыре сотни элементарных частиц – это слишком сложно![27]

Великие изобретатели вроде Мёрри Гелл-Манна чуть с ума не посходили, пытаясь вывести правила, которым подчиняются эти частицы, и в начале 70-х годов они создали теорию сильных взаимодействий (или «квантовую хромодинамику»), в которой основными действующими лицами являются частицы, получившие название «кварков». Все частицы, состоящие из кварков, разделяются на два класса: одни – типа протона и нейтрона – состоят из трех кварков (они получили ужасное название «барионы»), другие – например пион – состоят из кварка и антикварка (они называются «мезонами»).

Рис. 79. Наша таблица частиц мира начинается с частиц «со спином 1/2». Это электрон (с массой 0,511 МэВ), и кварки двух «ароматов» u и d (с массой у каждого порядка 10 МэВ). Электрон и кварки имеют «заряд» (т. е. взаимодействуют с фотонами), равный (в единицах константы взаимодействия j) – 1/3, и +2/3.

Позвольте показать вам принятую сейчас таблицу фундаментальных частиц (см. рис. 79). Я начну с частиц, распространяющихся от точки к точке в соответствии с формулой Е(А – В), которая видоизменена, как и в случае электрона, чтобы учесть поляризацию. Они называются частицами «со спином ½». Первая из этих частиц – электрон, и его массовое число 0,511 (в единицах, которые мы все время используем – МэВ)[28].